DE102012210284A1 - Verfahren zum Betrieb einer Ladestation eines Elektrofahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ladestation (2) eines Elektrofahrzeugs (4) in einem Haushalt (6), die einen Gleichrichter (24), eine Schnittstelle (16) zum Anschluss des Elektrofahrzeugs (4), ein Schaltsystem (20) und einen Energiespeicher (30) umfasst. Zum Laden des Energiespeichers (30) wird der Gleichrichter (24) wechselstromseitig mit dem Versorgungsnetz (10) des Haushalts (6) mittels des Schaltsystems (20) verbunden. Wenn das Elektrofahrzeug (4) über die Schnittstelle (16) geladen wird, wird der Gleichrichter (24) mittels des Schaltsystems (20) vom Versorgungsnetz (10) getrennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ladestation eines Elektrofahrzeugs und eine danach arbeitende Ladestation sowie ein Elektrofahrzeug.
  • In den vergangenen Jahren ist eine stetige Zunahme von hybrid und elektrisch betriebenen Fahrzeugen im Straßenverkehr feststellbar. Im Zusammenhang mit der zunehmenden CO2-freien Energieerzeugung, beispielsweise mit Wind- und Solarenergie, wird derzeit diskutiert, den internen Akkumulator eines Elektroautos als Energiespeicher zu nutzen, solange das Auto über eine Ladevorrichtung mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist. Bei Wind- und Solarenergie ist die Vorhersage der erzeugten Leistung schlecht möglich, da jene stark mit dem Wetter variiert. Dadurch sind Leistungsspitzen im Stromnetz schwerer ausgleichbar, sodass Kraftwerke, ohne den Bau zusätzlicher Speicherkraftwerke, schlechter auslastbar sind.
  • Das Laden des Energiespeichers im Auto würde dann zu Zeiten eines Überangebotes an elektrischer Leistung durchgeführt. Zu Zeitpunkten, in denen aufgrund zu geringer Erzeugung von Wind- und Solarenergie im Netz Leistungsbedarf besteht, könnten die Energiespeicher aller Fahrzeuge in das Netz zurückspeisen und zumindest einen Teil der fehlenden Leistung abdecken. Dadurch ist der Lastgang jedes einzelnen Haushalts durch das A Fahrzeug als Speichermöglichkeit vergleichmässigbar. Im Idealfall würde jeder Haushalt immer nur einen Langfrist-Mittelwert des Verbrauchs aus dem Versorgungsnetz beziehen und alle Leistungsspitzen, die darüber hinausgehen, aus dem eigenen Fahrzeug-Speicher beziehen. In Zeiten in denen kein oder nur ein sehr kleiner Leistungsbedarf besteht, würde das Fahrzeug wieder aufgeladen.
  • Problematisch hierbei ist, dass das Elektrofahrzeug zumindest tagsüber häufig unterwegs ist, und damit nicht als Energiespeicher zur Verfügung steht. Weiterhin ist der Gleichzeitigkeitsfaktor für den Bedarf des Nachladens der im Fahrbetrieb verbrauchten Energie hoch, wodurch zusätzliche Spitzenbedarfszeiten entstehen. Ferner sollte das Fahrzeug zu Beginn einer gewünschten Fahrt stets ausreichend geladen sein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Ladestation eines Elektrofahrzeugs in einem Haushalt anzugeben, bei welchem die Leistungsaufnahme aus dem Versorgungsnetz des Haushalts etwa konstant dem Niveau eines langfristig gemittelten Leistungsbedarfs des Haushalts entspricht.
  • Bezüglich des Verfahrens zum Laden eines Elektrofahrzeugs in einem Haushalt wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5. Bezüglich eines durch eine derartige Vorrichtung aufladbaren Elektrofahrzeugs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass in einem Haushalt ein Energiespeicher über einen Gleichrichter und ein mehrphasiges Schaltsystem, jeweils einer Ladestation, mit einem Versorgungsnetz des Haushalts verbunden wird. Mit anderen Worten wird der Energiespeicher mittels der von dem Versorgungsnetz bereitgestellten elektrischen Energie geladen.
  • Der Gleichrichter ist geeigneterweise ein aktiver, d.h. regel- oder einstellbarer Gleichrichter, der rückspeisefähig ist. Der Gleichrichter arbeitet daher vorteilhafterweise einerseits als geregelter Gleichrichter beim Laden des stationären Energiespeichers im Haushalt und andererseits im Zuge der Rückspeisung als Gleichstromsteller zum Laden des Elektrofahrzeugs bzw. dessen Energiespeichers.
  • Wenn das Elektrofahrzeug an eine Schnittstelle der Ladestation zum Aufladen angeschlossen wird, wird die Ladestation mittels des Schaltsystems von dem Versorgungsnetz getrennt. Folglich sind der Energiespeicher und das Elektrofahrzeug während eines Ladevorgangs nicht mit dem Versorgungsnetz elektrisch verbunden und die Energieentnahme des Elektrofahrzeugs erfolgt vollständig aus dem Energiespeicher des die Ladestation aufweisenden Haushalts.
  • Der Energiespeicher ist insbesondere stationär, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie oder ein Kondensator, welcher mittels des Gleichrichters an das, typischerweise dreiphasige, Versorgungsnetz des Haushalts gekoppelt ist. Das Schaltsystem ist hierzu insbesondere derart in dem Strompfad angeordnet, dass der Gleichrichter und der Energiespeicher einerseits vom Versorgungsnetz trennbar sind, und andererseits die Schnittstelle galvanisch vom Versorgungsnetz trennbar ist. Dadurch sind mechanische Umschaltkontakte im Fahrzeug vermeidbar, die aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit fahrzeugintern problematisch sein können.
  • Durch die galvanische Trennung des Gleichrichters vom Versorgungsnetz während einer Energieentnahme werden Spitzen in der Leistungsaufnahme des Haushalts vorteilhaft vermieden. Zweckmäßigerweise wird der Energiespeicher der Ladestation nicht kontinuierlich geladen, sondern lediglich oder zumindest vorwiegend dann, wenn keine Leitungsspitzen von anderen Verbrauchern des Haushalts vorliegen, beispielsweise nachts. Der stationäre Energiespeicher der Ladestation deckt einerseits die Leistungsspitzen des Elektrofahrzeugs und der anderen Verbraucher im Haushalt ab, und entlastet dadurch andererseits das Versorgungsnetz von Leistungsspitzen. Hierdurch entnimmt der Haushalt lediglich eine mittlere Leistung aus dem Versorgungsnetz. Dadurch sind Versorgungsnetze einfacher zu dimensionieren und kostengünstiger umzusetzen.
  • Weiterhin ist das Elektrofahrzeug während eines Ladevorgangs galvanisch vom Versorgungsnetz getrennt, das heißt es weist keinen gemeinsamen Potentialbezug auf. Dadurch kann beispielsweise der Isolationswächter des Elektrofahrzeugs bei der Entnahme entsprechend einer Fahrt arbeiten. Weiterhin kommt es zu keiner negativen Beeinflussung des versorgungsnetzseitigen Fehlerstromschutzes durch das Elektrofahrzeug. Insbesondere ist durch die galvanische Trennung im Zuge der Energieentnahme ermöglicht, den stationären Energiespeicher und den fahrzeuginternen Energiespeicher unabhängig voneinander, beispielsweise bezüglich Speicherkapazität, Lade/-Entladestrom, Umgebungsbedingungen oder Lebensdauer zu optimieren.
  • Aufgrund des DC-Ladens ist eine wirkungsgradoptimierte Schnellladung des Fahrzeug-Energiespeichers ermöglicht (lediglich mit einer Spannungswandlung), so dass keine Leistungsspitzen im Versorgungsnetz verursacht werden. Gleichzeitig ist das Fahrzeug stets zu Beginn einer Fahrt ausreichend aufgeladen.
  • Um sicherzustellen, dass die Leistungsaufnahme aus dem Versorgungsnetz etwa konstant dem Niveau eines langfristig gemittelten Leistungsbedarfs des Haushalts entspricht, wird in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens eine Energie-Rückspeisung des Gleichrichters vorgesehen. Mittels derer ist es möglich, etwaige Verbraucher des Haushalts mittels des eigenen Energiespeichers im Haushalt zu betreiben und folglich Leistungsspitzen im Versorgungsnetz zu unterdrücken.
  • Solange der Energiespeicher des Elektrofahrzeugs nicht geladen wird, beispielsweise wenn das Elektrofahrzeug für eine Fahrt genutzt wird, dient der stationäre Energiespeicher des Haushalts zur Vergleichmäßigung der verbrauchten Leistung. Sobald das Elektrofahrzeug geladen wird, ist der stationäre Energiespeicher inklusive des Gleichrichters mit Rückspeiseeinrichtung durch das Schaltsystem vom Versorgungsnetz getrennt. Die herkömmlichen Verbraucher des Haushalts werden in diesem Fall wie bisher direkt vom Versorgungsnetz gespeist. Im Zuge der Energieentnahme lädt der stationäre Energiespeicher die Ladeenergie über den Gleichrichter mit Energierückspeisung somit direkt stromgeregelt auf den Fahrzeug-Energiespeicher. Der vorzugsweise aktive Gleichrichter arbeitet dann als Gleichstromsteller (DC-DC-Wandler). Die Netz-Drossel des aktiven Gleichrichters dient dann als Energiespeicher für den stromgeregelten DC-DC-Wandler.
  • In einer geeigneten Weiterbildung weist der Gleichrichter eine Anzahl von elektronischen Halbleiterschaltelementen auf, wobei für jede Stromphase des Versorgungsnetzes jeweils zwei mit Dioden beschaltete Halbleiterschaltelemente vorgesehen sind. Bei den elektronischen Halbleiterschaltelementen handelt es sich insbesondere um bipolare Transistoren, Feldeffekt-Transistoren, Metal-Oxid-Semiconductor-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs), IGBT- und IGCT-Transistoren. Die Dioden sind anti-parallel geschaltet, oder als anti-parallele Body-Dioden in den Transistoren integriert. Der stationäre Energiespeicher im Haushalt ist somit weiterhin geeignet und eingerichtet, im Falle eines Netzausfalls die Funktion einer Notstromversorgung zu übernehmen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Gleichrichter jeweils eine Netzdrossel für jede Stromphase des Versorgungsnetzes, beispielsweise als ein dreiphasiger Zweipunktwechselrichter zur Einhaltung der Oberschwingungsanforderungen der Energieversorger.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der stationäre Energiespeicher zusätzlich mittels einer Photovoltaik-Anlage aufgeladen wird. Diese Ausführung des Verfahrens trägt insbesondere dem Umstand Rechnung, dass eine zunehmende Anzahl an Haushalten bereits Photovoltaik-Anlagen aufweisen und relativ aufwandsarm an einen Energiespeicher anschließbar sind. Der Energiespeicher der Ladestation ist hierfür zweckmäßigerweise elektrisch leitend mit einem Umrichter an eine Photovoltaik-Anlage gekoppelt. Photovoltaik-Anlagen werden typischerweise mit Gleichspannung und Gleichstrom betrieben und sind somit relativ einfach und unaufwändig mittels eines DC-DC-Umrichters zur Spannungsanpassung mit dem stationären Energiespeicher koppelbar.
  • Verfahrensgemäß ist der Gleichrichter derart mit der Schnittstelle gekoppelt, dass während der Energieentnahme das Elektrofahrzeug mit einer Gleichspannung und mit einem Gleichstrom aus dem stationären Energiespeicher versorgt wird. Das Elektrofahrzeug benötigt somit auch keine eigene mitgeführte Leistungs-Ladeelektronik, sondern lediglich geeignete Signalschnittstellen zur Ladungssteuerung.
  • Da das Elektrofahrzeug ohne eigenen Gleichrichter aufgeladen wird und praktisch die gesamte Ladestruktur im Bereich des Haushaltes vorgesehen, also als stationäre Festinstallation ausgeführt ist, muss das Fahrzeug keine Ladekomponenten mitführen, was einerseits eine entsprechende Gewichtseinsparung bedingt. Andererseits sind die Ladekomponenten vor mechanischen und temperaturbedingten Außenbedingungen geschützt, denen das Fahrzeug beim bestimmungsgemäßen Einsatz ausgesetzt ist.
  • Bevorzugten handelt es sich bei dem zu ladenden Elektrofahrzeug um ein Elektroauto mit einem internen Fahrzeug-Energiespeicher, einem Fahrzeug-Umrichter, einem Elektromotor und einer Ladeschnittstelle zum Anschluss an die Ladestation. Die Ladestation ist hierfür zweckmäßigerweise in einer Garage oder im Bereich eines Fahrzeug-Stellplatz des Haushalts angeordnet. Grundsätzlich kann das Verfahren und/oder eine entsprechende Ladestation aber auch für andere elektronisch betriebene Fahrzeuge, beispielsweise Elektrobusse oder Elektrofahrräder, auch außerhalb eines Haushalts, zum Beispiel an öffentlichen Parkplätzen, eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Versorgungsnetz um ein dreiphasiges Stromnetz, wobei auch einphasige Stromnetze beziehungsweise Mischformen denkbar sind.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Ladestation.
  • Die Ladestation 2 zum Laden eines Elektrofahrzeug 4 in einem Haushalt 6 ist parallel zu weiteren Verbrauchern 8 des Haushaltes 6 an ein dreiphasiges elektrisches Versorgungsnetz 10 mit den Wechselstromphasen U, V, W beispielsweise durch eine Schutzkontakt-Steckdose gekoppelt. Die Ladestation 2 ist ferner mittels eines DC-DC-Umrichters 12 zur Spannungsanpassung mit einer Photovoltaikanlage 14 des Haushalts 6 elektrisch verbunden.
  • Das Elektroauto oder -fahrzeug 4 ist mittels einer Schnittstelle 16 zum Aufladen eines fahrzeuginternen Akkumulators (Akku) 18 an die Ladestation 2 elektrisch leitend koppelbar. Die Schnittstelle 16 ist als ein Stromkabel des Elektroautos 4 ausgeführt, welches zum Aufladen in eine Steckdose der Ladestation 2 einsteckbar ist.
  • Die Ladestation 2 umfasst ein Schaltsystem 20 mit einem wechselstromseitigen mehrphasigen Schaltelement S1, einem fahrzeugseitigen Schaltelement S2 und einem mehrphasigen Schaltelement S3, welches zwischen dem Strompfad des Elektroautos 4 und dem Versorgungsnetz 10 angeordnet ist. Es ist denkbar, dass das fahrzeugseitige Schaltelement S2 entfallen kann. Die Ankopplung des Fahrzeugs erfolgt dann lediglich über die beispielsweise als Steckkontakt ausgeführte Schnittstelle 16.
  • Die Ladestation 2 weist drei Netzdrosseln 22 und eine aktive, rückspeisefähige Gleichrichteranordnung 24 mit sechs IGBT-Transistoren 26 sowie diesen jeweils anti-parallel geschalteten integrierten Dioden 28 und eine Lithium-Ionen Batterie 30 als stationären Energiespeicher auf. In der Figur sind lediglich jeweils ein IGBT-Transistor 26 und eine Diode 28 mit einem Bezugszeichen versehen.
  • Die Netzdrosseln 22 sind wechselstromseitig jeweils in einem Strompfad U, V, W des dreiphasigen Versorgungsnetzes 10 den Schaltelementen S1 und S2 nachgeordnet und der nachfolgend auch als aktiver Gleichrichter bezeichneten Gleichrichteranordnung 24 vorgeschaltet. Beispielhaft ist in der Figur lediglich eine Netzdrossel 22 mit einem Bezugszeichen versehen.
  • Der aktive Gleichrichter 24 weist in jedem Strompfad U, V, W jeweils zwei IGBT-Transistoren 26 mit zugeordneter Diode 28 auf. Die beiden zur Lithium-Ionen-Batterie 30 parallelen IGBT-Transistoren 26 mit diesen zugeordneten Dioden 28 eines Strompfades U, V, W werden derart angesteuert, dass beim Anliegen der Versorgungsnetzspannung an der Vorrichtung 2 eine gleichgerichtete Spannung an der Lithium-Ionen-Batterie 30 anliegt. Zweckmäßigerweise ist hierzu ebenfalls der DC-DC-Umrichter 12 parallel zum aktiven, rückspeisefähigen Gleichrichter 24 und zur Lithium-Ionen-Batterie 30 gekoppelt. Der Gleichrichter 24 ist vorliegend ein dreiphasiger Zweipunktwechselrichter mit Netzdrosseln 22 zur Einhaltung der Oberschwingungsanforderungen der Energieversorger, kann jedoch auch ein Dreipunktwechselrichter sein.
  • Das Elektrofahrzeug 4 umfasst den Akku 18 sowie einen DC-AC-Umrichter 32 zur Bereitstellung eines Wechselstroms für einen Elektromotor 34. Solange der Akku 18 des Elektrofahrzeugs 4 nicht geladen wird, beispielsweise wenn das Elektrofahrzeug 4 für eine Fahrt benutzt wird, dient die Lithium-Ionen-Batterie 30 als stationärer Energiespeicher des Haushalts 6 am Versorgungsnetz 10 zur Vergleichmäßigung der verbrauchten Leistung der Verbraucher 8. Hierzu ist das Schaltelement S1 geschlossen, und die Schaltelemente S2 und S3 sind geöffnet. Dadurch wird die Lithium-Ionen-Batterie 30 einerseits durch das Versorgungsnetz 10 und andererseits mittels der Photovoltaik-Anlage 14 aufgeladen, sowie gegebenenfalls überschüssige Leistung durch die Gleichrichteranordnung 24 in das Versorgungsnetz 10 zurückgespeist. Ferner wird mittels der Ladestation 2 der Energiebedarf des Haushalts 6 zeitlich im Wesentlichen konstant gehalten.
  • Sobald das Elektroauto 4 aufgeladen wird, wird die Lithium-Ionen-Batterie 30 der Gleichrichteranordnung 24 durch das Öffnen des Schaltelements S1 vom Versorgungsnetz 10 getrennt. Die herkömmlichen Verbraucher 8 des Haushalts 6 werden somit lediglich durch das Versorgungsnetz 10 gespeist. Die gespeicherte Ladeenergie der Lithium-Ionen-Batterie 30 wird durch Schließen der Schaltelemente S2 und S3 über die Gleichrichteranordnung 24, welche somit als dreiphasige DC-Tiefsteller-Anordnung arbeitet, direkt stromgeregelt über die Schnittstelle 16 auf den Akku 18 in einem DC-Ladeprozess geladen. Hierbei dienen die Netzdrosseln 22 als Speicherdrosseln.
  • Die Gleichrichteranordnung 24 wird somit doppelt genutzt, nämlich einerseits als dreiphasiges AC-DC-Gerät am Versorgungsnetz 10 und andererseits zum gleichrichterlosen Laden des Elektrofahrzeugs 4 als DC-DC-Steller zur Spannungsanpassung zwischen Lithium-Ionen-Batterie 30 und Akku 18.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Ladestation (2) eines Elektrofahrzeugs (4) in einem Haushalt (6), wobei die Ladestation (2) einen Gleichrichter (24), eine Schnittstelle (16) zum Anschluss des Elektrofahrzeugs (4), ein Schaltsystem (20) und einen Energiespeicher (30) umfasst, – bei dem der Gleichrichter (24) wechselstromseitig mit dem Versorgungsnetz (10) des Haushalts (6) mittels des Schaltsystems (20) zum Laden des Energiespeichers (30) verbunden wird, und – bei dem der Gleichrichter (24) mittels des Schaltsystems (20) vom Versorgungsnetz (10) getrennt wird, wenn das Elektrofahrzeug (4) über die Schnittstelle (16) geladen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssige Ladeenergie mittels des Gleichrichters (24) in das Versorgungsnetz (10) zurückgespeist wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (30) zusätzlich mittels einer Photovoltaik-Anlage (14) aufgeladen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (24) als Gleichstromsteller arbeitet, wenn das Elektrofahrzeug (6) aufgeladen wird.
  5. Ladestation (2) eines Elektrofahrzeugs (4) in einem Haushalt (6), mit einem Gleichrichter (24) und mit einer Schnittstelle (16) zum Anschluss des Elektrofahrzeugs (4)sowie mit einem Schaltsystem (20) und mit einem Energiespeicher (30), – wobei der Gleichrichter (24) wechselstromseitig mit dem Versorgungsnetz (10) des Haushalts (6) mittels des Schaltsystems (20) zum Laden des Energiespeichers (30) verbunden ist, und – wobei der Gleichrichter (24) mittels des Schaltsystems (20) vom Versorgungsnetz (10) getrennt ist, wenn das Elektrofahrzeug (4) an der Schnittstelle (16) zum Laden angeschlossen ist.
  6. Ladestation (2) nach Anspruch 5, gekennzeichnet, durch einen aktiven, rückspeisefähigen der Gleichrichter (24), der im Ladebetrieb des Elektrofahrzeugs (4) als Gleichstromsteller (DC-DC-Wandler) arbeitet.
  7. Ladestation (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (24) eine Anzahl von Halbleiterschaltelementen (26) mit zugeordneten Dioden (28) aufweist.
  8. Ladestation (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (24) jeweils eine Netzdrossel (22) für jede Stromphase (U, V, W) des Versorgungsnetzes (10) umfasst.
  9. Ladestation (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Photovoltaik-Anlage (14) mit einem Umrichter (12) an den Energiespeicher (30) elektrisch verbunden ist.
  10. Elektrofahrzeug (4), insbesondere Elektroauto, umfassend einen Fahrzeug-Energiespeicher (18), einen Fahrzeug-Umrichter (32), einen Elektromotor (34) und eine Ladeschnittstelle (16) zum Anschluss an eine Ladestation (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9.
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